BIM技術在我國傳統建筑保護利用中的應用進展與展望

史 斌 | Shi Bin

劉弘濤 | Liu Hongtao

自20世紀70年代，美國查克·伊士曼（Chuck Eastman）教授提出Building Information Modeling（BIM）設想[1]，建筑信息模型在城市設計、結構、市政、建筑等領域迅速擴展并不斷豐富。目前，國外BIM的應用開始趨向產業化發展，并逐步規范化、標準化[2]。BIM與其他技術的集成應用也成為重要探索方向，應用以設計和施工階段為主[3]。但在已有建筑的管理利用中，BIM參與相對較少，主要限制因素是BIM成本效益分析、解構功能還相對缺乏[4]。

“信息”與“物質”的有效鏈接，讓設計變得“立體”和“高效”。截止目前，我國在建筑信息模型領域已頒發1項統一標準、1項執行標準、1項基礎標準，即《建筑信息模型應用統一標準》GB/T 51212—2016[5]、《筑信息模型施工應用標準》GB/T 51235—2017[6]、《建筑信息模型分類和編碼標準》G B T 51269—2017[7]。BIM技術逐步應用于歷史建筑的基礎調查、測繪、模擬分析、改造方案設計等方面，為歷史建筑的數據存儲、展示預覽、管理分析等提供了應用的便捷與高效。

1 傳統建筑保護利用中BIM技術應用的特點

傳統建筑的價值決定了建筑歷史信息保存的必要性及特殊性。BIM技術在傳統建筑保護利用過程中呈現協同性、信息階段化的特點。

1.1 協同性

傳統建筑的保護利用策略與方法主要根據傳統建筑的特點及依存環境展開。在通常情況下，傳統建筑的設計圖紙及基礎資料是不完善甚至是缺失的，或者存在建筑形變或局部破壞。因此，實地測繪調查成為信息模型建立的必須環節，獲取有效、詳細的建筑信息成為BIM技術應用的前置條件。建筑信息采集的方式主要有常規人工測量+二維CAD、無人機成像、三維掃描、攝影測量等方式，其中三維激光掃描與BIM的集成運用成為當前研究與實踐的熱點。

1.2 信息階段化

傳統建筑所承載的信息是不同時期信息的疊加，存在明顯的時間階段劃分。建筑信息模型必然要呈現時間的痕跡，BIM全生命周期管理的概念，與傳統建筑信息回溯并持續延續的需求具有內在一致性。傳統建筑的信息模型需要通過劃分歷史階段，對應各階段的歷史信息，完成傳統建筑過往生命發展軌跡的重現，并結合管理需求延續生命。與新建建筑設計、施工管理及后期運營管理的生命周期相比，傳統建筑信息模型存在時間逆向性、信息屬性階段化的差異。

2 傳統建筑保護利用中的BIM應用方法及技術手段

在我國傳統建筑BIM技術應用研究現狀的基礎上，結合劉奇志等人的研究成果[8]，認為傳統建筑信息模型的應用方法主要有：以三維數字技術為基礎的建筑信息模型、構建整體建筑信息模型、構建局部建筑構件的信息模型以及基于 BIM 的建筑信息管理與分析（圖1）。

圖1 傳統建筑信息模型技術應用框架

2.1 以三維數字技術為基礎的建筑信息模型

三維掃描技術與BIM技術的鏈接應用，豐富了傳統建筑信息采集的方式與手段，傳統建筑潛在的外觀特色、特征信息以及表征變化等內容被進一步準確測量與展現，信息得到較大程度的傳遞。石越等人以黃海化學工業研究社的信息采集為例，單獨掃描建筑多個位置，并將它們一起拼接，生成整體的高精度三維點云，將完整點云文件鏈接到 Auto Revit平臺，實現點云信息與建筑信息模型從三維空間信息到三維形體的銜接[9]。李舒靜提出建筑信息采集的“結構—類型”法。運用類型學方法、借助“族”構建思想，以構部件為單位對建筑單體展開三維調查，據此繪制“空間—結構樹狀圖”和“構件類型樹狀圖”，并以前者為框架繪制草圖[10]。石力文等人以某仿古亭子為例介紹了基于點云數據的BIM模型建立過程，主要包括點云數據的鏈接、“族”模型的建立、符號圖元的注釋、完整模型的建立以及屬性信息的添加等環節[11]。

在傳統建筑基礎信息搜集處理方法方面，三維信息處理與模擬軟件的鏈接成為重要探索方向。BIM軟件工具的使用在一定程度上改變了原來測繪調查的方式，開始在數據鏈接方式、圖形圖像轉譯、數據標準化等方面進行研究，并在實踐應用、數據對應組織等方面取得一定成果，對實踐應用具有促進作用。但較多成果仍然局限于個例軟件工具的處理與操作方式，沒有形成統一的模式或方法，甚至對同一類型的傳統建筑也難以統一標準。因此，傳統建筑三維調查與信息模型鏈接的標準化應成為研究的重點，包括三維點云數據的精度及應用范圍、點云數據與BIM軟件的自動化或半自動化鏈接的技術方法、基于IFC標準的轉換應用等內容。

2.2 構建整體（局部）建筑（構件）信息模型

（1）歷史建筑信息模型理論研究

在傳統建筑信息模型構建方面，M.Murphy和 E.Mc Govern提出了歷史建筑信息模型（Historic Building Information Modeling，簡稱 HBIM），指出HBIM過程是從使用激光掃描儀和攝影技術遠程收集測量數據開始，然后使用一系列軟件程序組合圖像和掃描數據，從圖像數據中進行紋理化，并創建三維模型[12]。此后，HBIM成為傳統建筑信息模型研究、數字化技術方法探索的重要支撐[13-14]。當前，幾何模型精度分析、豐富構件屬性表達是HBIM國際研究熱點問題[15-16]。HBIM的內涵也被不斷豐富，包括傳統建筑的分析調查、歷史演變、診斷、文化背景及保護干預[17]（圖2），用以闡明歷史建筑所包含的所有信息。HBIM也被應用于傳統建筑的預防性保護[18]、風險管理[19]等方面，并發展了輔助診斷HBIM性能的評估工具（DA-HBIMM）[20]。國內學者荊松鋒將HBIM作為建筑遺產記錄建檔的技術依據[21]，HBIM的概念在國內傳統建筑信息化方面逐步開始應用。

圖2 HBIM的維度

（2）傳統建筑信息模型建構的技術方法

杜欣認為傳統建筑信息模型的建立主要分為兩個部分，即理想模型和階段化模型。理想模型是指在 BIM模型建立時以建筑的現有狀態和可推測的原始設計意圖為依據，對測繪信息進行人為調整而建立的初期模型。理想模型可以作為一個原始基準，任何信息都可在后期添加于其上。階段化模型是在先前建立的理想模型的基礎上以特定的歷史時間點對模型信息進行劃分，使信息模型能夠展示建筑在不同時間段上的樣貌[22]。石越等人也認為信息模型建立的初始階段是建立“理想模型”，歷史信息是可以逐步添加的[23]。

在整體信息模型建構方面，譚潔將古建筑的設計和建造規律整理成計算機熟悉的規則，即用一系列的關系式，包括邏輯關系式和幾何關系式等來表示古建筑的營造法式。最后以清代官式建筑大木作為例，搭建古建筑的參數化總體思路與框架，并對細節與具體操作方法進行實踐[24]。關于古建筑信息模型，孫偉超從模型圖元、注釋符號圖元、視圖圖元與數據庫建立四個方面做了模型構建的整體過程，并重點介紹了信息模型的主體——模型圖元，分類展示了模型圖元中各個建筑構件族的參數化、簡述了各個構件族在參數化過程中的難點和不足[25]。韓婷婷將構件信息分為剛性碼段、柔性碼段及流水碼段三段式，進行古建筑構件標準化信息的編碼，完成了構件庫中構件實體的信息化表達，從根本上解決了“信息孤島”現象，確保了數據信息在古建筑保護工作中流通語義的一致性[26]26。研究學者認為我國傳統建筑存在的模數形制，為BIM軟件的參數約束、“族”構件建立提供了可能[27]。當前研究內容主要關注傳統建筑構件與BIM“族”的對應關系及組織方式。在傳統建筑信息分類標準化方面，西安建筑科技大學王茹教授團隊對明清古建筑參數化、構建編碼分類、構建庫建設等方面取得一定成果。但面對不同歷史時期、不同類型的傳統建筑，顯然傳統建筑的特征、樣式的參數化及信息標準的統一，仍需要大量的實踐及研究工作，尤其在建筑整體梁柱參數約束、立面門窗及屋頂形制仍是探索的重點。

在建筑局部構件研究方面，石若明等人以府學胡同36號院為典型樣例，重點研究了利用點云逆向建立傳統木結構構件“族”模型[28]。狄雅靜等人以茶膠寺南外門主體模型的建構為例，系統地提出了為石頭建筑的構件分族、為石塊設置標識和根據保護需要創建構件屬性的方法[29]。朱磊利用類型學原理討論結構形式以及建筑構件的分類方法，進而初步提出族規劃的分類依據，并論證了類型學方法的可利用價值[30]。張天宇以類型學方法為基礎建立了湖南傳統村落的門窗庫[31]。

由上可知，在傳統建筑構件信息化過程中，通常結合類型學方法建立“族”庫。但是，對于傳統建筑的結構分類以及特殊構件（如裝飾浮雕）的模擬仍存在爭議，構件的分類整理仍然處于約定俗成和主觀判斷共同確定的探索階段，未形成統一標準。同時，由于軟件平臺中的圖元尚無法解決對空間屬性的封裝，點云信息也僅是對建筑表面形狀的采集。軟件自有模板、樣本不能完全適用于傳統建筑所需要的各類構件族的定義需求，有待進一步利用計算機技術對族樣板進行可開發性研究。

2.3 建筑信息管理與分析

傳統建筑與現代建筑在信息模型管理與分析方面存在較多一致性，主要是基于軟件平臺間的協同操作與分析。

韓婷婷通過構件的入庫、組裝及構件庫的運營維護三方面實現對構件庫、構件實體及數據資料的規范化、信息化管理，建立了以管理員與用戶的交流和反饋為主體的構件庫管理體系[26]69。劉慶宇認為可以通過BIM技術的應用對建筑物進行熱能分析和結構分析。通過熱能分析等技術手段判斷建筑構件在不同時間段內的工況，可以更精確地計算不同時間段內木結構的應力狀態[32]。鄭林晗等人在傳統建筑BIM信息管理平臺的基礎上，提出了修繕殘損信息、修繕工藝流程信息的鏈接路徑[33]。

傳統建筑信息模型的精準模擬，為傳統建筑的改造利用提供了分析的基礎，通過軟件交互從而實現建筑管理及性能分析的多項功能。BIM技術與大數據、物聯網、互聯網等技術平臺的結合，可以有效提升建筑全生命周期的管理效果，在實現建筑信息模型可視化的基礎上，滿足建筑信息查詢、建筑價值評估、建筑再利用分析、建筑物理環境分析、動態監測等功能，從而實現傳統建筑的科學保護與利用。但是，面對BIM平臺、分析軟件平臺、監測保護等平臺的多數據交互、鏈接存在制約問題，數據格式標準化、轉換鏈接方式便捷與統一、避免平臺轉換間的信息損失將是重要的研究方向（圖3）。

圖3 HBIM與其他技術整合的優點和挑戰

結語

建筑信息模型技術為傳統建筑信息的保存提供了新的方式，對傳統建筑的數字化起到了推動作用。傳統建筑信息模型存在現實（階段化）模型、參數化（理想）模型兩種主要形式，關鍵歷史信息屬性的添加，促進了多軟件平臺的協同應用，并呈現信息階段化的特點。三維掃描與攝影測量是當前傳統建筑信息采集的主要方式。在傳統建筑信息整體、局部模型建立過程中，傳統建筑編碼分類、構件模擬等方面仍缺少標準統一約束，應用軟件的本土適宜性不足。傳統建筑采集信息與軟件的高效鏈接方式、信息標準化、軟件模塊的本土化以及避免平臺轉化過程中的信息損失仍是進一步研究的重點。

資料來源：

圖1：作者自繪；

圖2：參考文獻[17]；

圖3：參考文獻[34]。